面向解決復(fù)雜工程問題的電子信息類專業(yè)實踐教學(xué)改革與實踐

劉忠富，李厚杰，石立新，施 展，陳宏巍

（大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116600）

目前，隨著我國對應(yīng)用型人才和創(chuàng)新性人才的需求不斷增加，“有效提高工科類本科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力”已成為應(yīng)用型高校面臨的重要問題。近年來，教育部開展了工程教育認證、新工科建設(shè)、一流專業(yè)建設(shè)等多項工程教育實踐改革，都重點強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的能力。

在電子信息類專業(yè)新工科建設(shè)、一流專業(yè)建設(shè)中，以工程教育專業(yè)認證為重要著手點，對于加快推進各類工程教育實踐改革和提高人才實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有重要的意義。

工程教育認證對本科學(xué)生畢業(yè)時提出了12條畢業(yè)要求，畢業(yè)要求分別從學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)掌握的專業(yè)知識、應(yīng)達到的綜合能力、應(yīng)具備的綜合素養(yǎng)做出了規(guī)定。12條畢業(yè)要求中有8條是與解決復(fù)雜工程問題相關(guān)聯(lián)，圖1是8條畢業(yè)要求之間的遞進關(guān)系。圖1中，圓圈內(nèi)層的5條分別為工程知識、現(xiàn)代工具使用技術(shù)、問題分析能力、系統(tǒng)設(shè)計/開發(fā)能力、研究能力。這5條畢業(yè)要求在考核能力要求上逐步遞進，共同組成了解決復(fù)雜工程問題的核心要求。圓圈外層的3條分別為社會責(zé)任意識、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展意識、溝通交流能力，構(gòu)成解決復(fù)雜工程問題的綜合素質(zhì)要求，內(nèi)層和外層能力相互配合，共同完成專業(yè)面向復(fù)雜工程問題的解決[1]。

圖1 解決復(fù)雜工程問題的畢業(yè)要求遞進關(guān)系示意圖

根據(jù)工程教育認證的標(biāo)準(zhǔn)，通過工程教育認證要明確并掌握本專業(yè)的“復(fù)雜工程問題”的內(nèi)涵，在教學(xué)體系構(gòu)建及教學(xué)過程實施中要融入“復(fù)雜工程問題”，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

大連民族大學(xué)（以下簡稱“我校”）電子信息類專業(yè)自開辦以來，緊緊圍繞“應(yīng)用為主、服務(wù)民族”的辦學(xué)理念，始終致力于培養(yǎng)各民族高素質(zhì)應(yīng)用型電子信息類人才，強化對學(xué)生綜合素質(zhì)和工程實踐能力的培養(yǎng)。經(jīng)過多年的建設(shè)，形成一套相對完整的教學(xué)體系，取得不少的成績。就專業(yè)認證對能力的要求而言，目前課程體系相對比較完整，而實踐教學(xué)體系未能完全體現(xiàn)成果導(dǎo)向，各實踐環(huán)節(jié)教學(xué)目標(biāo)與所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點關(guān)聯(lián)度不夠緊密，針對提升復(fù)雜工程問題的實踐環(huán)節(jié)項目偏少，實踐環(huán)節(jié)課程缺乏形成性評價，未能與學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結(jié)合。實踐教學(xué)改革與實施質(zhì)量在一流專業(yè)建設(shè)中還需要不斷的提升。

國內(nèi)學(xué)者們對工程教育改革及如何提高本科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力提出自己的看法。杜威提出“從做中學(xué)”的教學(xué)模式，在做中學(xué)，在學(xué)中做，促使學(xué)生思考，從而學(xué)到知識。燕山大學(xué)胡正平等[2]認為提高學(xué)生解決工程問題能力的關(guān)鍵在于畢業(yè)設(shè)計。大連理工大學(xué)李志義[3]提出基于成果導(dǎo)向教育的高等工程教育教學(xué)改革，著力實現(xiàn)以學(xué)生為中心，以持續(xù)改進實現(xiàn)理論和實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革。胡正平等[4]認為工科教學(xué)中提高解決復(fù)雜工程問題能力的重要途徑是采用三級項目。夏秀峰等[5]提出一種以復(fù)雜工程問題為牽引的校企協(xié)同育人機制，詳細論述了校企協(xié)同育人機制的諸多關(guān)鍵問題，提出了相應(yīng)的解決方案。

本文剖析了專業(yè)的復(fù)雜工程問題內(nèi)涵，提出了以面向復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的多層次實踐教學(xué)培養(yǎng)體系，并在不同實踐環(huán)節(jié)中規(guī)劃了相應(yīng)的復(fù)雜工程項目，合理設(shè)置項目內(nèi)容要求，引入多樣化實踐教學(xué)形成性能力考核評價標(biāo)準(zhǔn)，逐步提高電子信息類專業(yè)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

一 電子信息類專業(yè)復(fù)雜工程問題的界定

根據(jù)復(fù)雜工程問題特征[6]，結(jié)合學(xué)校辦學(xué)定位、專業(yè)特色及人才培養(yǎng)要求，剖析并確定了電子信息類專業(yè)的復(fù)雜工程問題的7個特征。

特征1：能夠運用電子信息類專業(yè)相關(guān)的信息檢測、信息處理、信息傳輸、信息存儲等多學(xué)科知識分析、解決復(fù)雜工程問題。

特征2：問題的解決要能夠綜合考慮電子信息相關(guān)的技術(shù)、工程等各方面的矛盾和沖突。

特征3：解決電子信息類專業(yè)復(fù)雜工程問題必須通過對信息、通信系統(tǒng)進行建模，要突出解決問題的創(chuàng)新性。

特征4：復(fù)雜工程問題的解決要依托電子技術(shù)、信息、通信及新一代信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)、方法和手段的綜合應(yīng)用。

特征5：復(fù)雜工程問題中涉及到因素包括工程倫理、生態(tài)安全、經(jīng)濟發(fā)展等，已有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不能完全解決。

特征6：復(fù)雜工程問題涉及到不同的利益訴求，要重視并具備協(xié)調(diào)處理各方不同的利益訴求。

特征7：復(fù)雜工程問題要以實現(xiàn)整體目標(biāo)要求為出發(fā)點處理好局部之間的關(guān)系[7]。

電子信息類專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括各類實習(xí)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等。目前，校內(nèi)課程設(shè)計多側(cè)重于知識而非工程；各類實習(xí)中學(xué)生也大多是走馬觀花，培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜工程解決能力所能達到的層次較低。另外，畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容及實施過程與復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)要求差距也較大。

綜上所述，目前電子信息類專業(yè)實踐教學(xué)中融入復(fù)雜工程問題，并在不同的實踐環(huán)節(jié)中有效實施，對于專業(yè)認證和一流專業(yè)建設(shè)具有重要的意義。

二 實踐教學(xué)改革與探索

（一）多層次實踐教學(xué)培養(yǎng)體系的構(gòu)建

我校電子信息類專業(yè)實驗實踐類課程在第2到第8學(xué)期開設(shè)，針對面向解決復(fù)雜工程問題的需求，基于成果導(dǎo)向原則，構(gòu)建了“四年不斷線、多層次一體化”實踐教學(xué)培養(yǎng)體系，如圖2所示。

圖2 實踐教學(xué)體系架構(gòu)圖

按照學(xué)生畢業(yè)應(yīng)掌握的能力目標(biāo)遞進分解，一體化設(shè)計電子信息類專業(yè)多層次實踐教學(xué)體系。第一層次為各類專業(yè)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程實驗，貫穿到第1學(xué)年到第3學(xué)年，通過綜合性實驗的設(shè)計實施，提升學(xué)生知識應(yīng)用能力、現(xiàn)代工具的使用能力、方案設(shè)計能力及研究設(shè)計能力，為解決復(fù)雜工程問題提供一定的基礎(chǔ)準(zhǔn)備；第二層次為工程認知實習(xí)、校內(nèi)實訓(xùn)、電子技術(shù)課程設(shè)計，通過產(chǎn)學(xué)融合的育人模式，共建實習(xí)基地和校內(nèi)實訓(xùn)基地，提升學(xué)生工程素養(yǎng)、團隊合作，跨學(xué)科知識應(yīng)用能力，在這一階段可以解決相對簡單的復(fù)雜工程問題；第三層次包括生產(chǎn)實習(xí)、電子信息工程建模與仿真、單片機系統(tǒng)課程設(shè)計、各類創(chuàng)新競賽等實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新能力、分析能力、系統(tǒng)設(shè)計能力、溝通能力，解決較復(fù)雜工程問題；第四個層次為新一代信息技術(shù)工程實踐、畢業(yè)設(shè)計，把新工科背景下的人工智能、智能控制、機器人技術(shù)等新一代技術(shù)融入傳統(tǒng)的實踐教學(xué)內(nèi)容中，培養(yǎng)學(xué)生的文獻綜述能力、工程能力、工程素養(yǎng)和解決實際問題的能力。

按照實踐教學(xué)體系3個層面，重組實踐教學(xué)內(nèi)容，合理安排不同類型實驗比例，加強綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗，按照從簡單到復(fù)雜，從小規(guī)模到大規(guī)模，循序漸進的復(fù)雜工程問題規(guī)律。

工程認知實習(xí)引入了圖形化編程的智能車項目（圖3），以3～5個同學(xué)為一個團隊，對復(fù)雜工程項目的技術(shù)和非技術(shù)因素形成初步的認知；同時，與企業(yè)共同舉辦智能車競賽，使全體學(xué)生都參與到創(chuàng)新比賽。

圖3 圖形化編程的智能車項目

電子工藝實習(xí)引入超外差收音機虛擬仿真平臺，如圖4所示，建設(shè)了校內(nèi)虛擬仿真網(wǎng)站，實現(xiàn)電子工藝實習(xí)的虛實結(jié)合的新的方式。

圖4 超外差收音機虛擬仿真平臺

單片機課程設(shè)計、專業(yè)綜合實踐課程設(shè)計以2～3名同學(xué)為一個團隊，利用一學(xué)期的時間，完成一個復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計。課程從資料查閱、方案設(shè)計、方案論證、硬件制板、軟件實現(xiàn)、驗證測試、系統(tǒng)調(diào)試、課程設(shè)計報告撰寫、實物驗收、答辯等多方面對學(xué)生進行訓(xùn)練。通過課程設(shè)計的實施，學(xué)生對復(fù)雜工程項目有了深刻的認識。

面向新一代信息技術(shù)，設(shè)置不同的實習(xí)方向，生產(chǎn)實習(xí)按照電子產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)方向、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件開發(fā)方向、智能硬件系統(tǒng)設(shè)計方向、通信網(wǎng)絡(luò)搭建與測試、人工智能應(yīng)用等不同的方向，依托不同的企業(yè)完成。將復(fù)雜工程項目、企業(yè)實習(xí)、就業(yè)實習(xí)一體化。

（二）基于復(fù)雜工程問題的實踐環(huán)節(jié)實施

以“閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)”“智能車控制系統(tǒng)”等工程項目為依托，重新設(shè)計集中性實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，有效地促使學(xué)生掌握深入工程原理，結(jié)合工程實際，在技術(shù)及非技術(shù)能力上得到訓(xùn)練。

基于復(fù)雜工程問題，對實踐環(huán)節(jié)教學(xué)組織、實施、重新規(guī)劃。

以單片機系統(tǒng)課程設(shè)計中“閉環(huán)電機控制系統(tǒng)綜合”項目為例，說明基于“復(fù)雜工程問題”實踐環(huán)節(jié)綜合項目教學(xué)實施進程圖，如圖5所示。項目內(nèi)容圍繞單片機控制直流電機，涉及到傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、單片機技術(shù)、無線通信技術(shù)、PID控制技術(shù)等多學(xué)科綜合知識，考核學(xué)生的知識應(yīng)用能力、問題分析能力、設(shè)計與開發(fā)能力、使用現(xiàn)代工具能力、團隊合作能力、交流溝通能力、終生學(xué)習(xí)能力等綜合能力。

圖5 閉環(huán)電機控制系統(tǒng)綜合項目教學(xué)實施圖

在項目完成過程中，學(xué)生自行組建團隊，根據(jù)課題的技術(shù)指標(biāo)要求，通過資料檢索，設(shè)計系統(tǒng)軟硬件方案，設(shè)計系統(tǒng)硬件電路、完成系統(tǒng)下位機軟件、上位機軟件開發(fā)、對搭建的系統(tǒng)進行測試，對測試數(shù)據(jù)進行處理。通過實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計，學(xué)生在技術(shù)和非技術(shù)方面得到訓(xùn)練，完成一個復(fù)雜工程問題[8]。

單片機課程設(shè)計結(jié)束后舉辦面向全體學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計競賽，以課賽結(jié)合的實踐環(huán)節(jié)課程聯(lián)動貫穿于整個科技競賽活動中，探索以各類不同層次的科技競賽為載體、面向全體學(xué)生的工程實踐創(chuàng)新能力提升路徑。

（三）基于OBE模式的實踐環(huán)節(jié)多元化教學(xué)評價機制

面向解決復(fù)雜工程問題的實踐環(huán)節(jié)，以O(shè)BE成果導(dǎo)向理念為基礎(chǔ)，評價過程采用形成性評價機制[9-10]。

將“復(fù)雜工程問題”分解到不同的畢業(yè)要求指標(biāo)點中，在各類實驗、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，建立畢業(yè)要求與實踐課程體系的對應(yīng)關(guān)系，重新修訂實踐環(huán)節(jié)課程大綱，建立實踐環(huán)節(jié)考核標(biāo)準(zhǔn)。

表1為單片機系統(tǒng)課程設(shè)計課程目標(biāo)2的考核標(biāo)準(zhǔn)，課程目標(biāo)2從日常考核、軟硬件驗收考核、課程設(shè)計報告考核、答辯考核4個方面進行評價，分別給出了課程目標(biāo)2的優(yōu)秀、良好、中等、及格與不及格的評分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 單片機系統(tǒng)課程設(shè)計課程目標(biāo)2考核評分標(biāo)準(zhǔn)

三 結(jié)束語

本文以我校電子信息類專業(yè)為例，提出了以面向復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的多層次實踐教學(xué)培養(yǎng)體系，設(shè)計了復(fù)雜工程項目，并在多個實踐環(huán)節(jié)中實施并取得較好的教學(xué)效果。近三年來，學(xué)生參與大創(chuàng)項目190余項，在國內(nèi)學(xué)科競賽中獲得國家級獎項200余項，學(xué)生發(fā)表論文30余篇，學(xué)生的實踐能力在各環(huán)節(jié)中逐步得到提升，電子信息工程專業(yè)2020年獲批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點。

本文提出的實踐教學(xué)體系對于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的實踐能力發(fā)揮了重要的作用，為培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識解決電子信息類專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的能力提供了新思路。